Net als veel andere wetenschappers, Don Ingber, MD, doctoraat, de oprichter en directeur van het Wyss Institute, is bezorgd dat niet-wetenschappers sceptisch en zelfs bang zijn geworden voor zijn vakgebied in een tijd waarin technologie oplossingen kan bieden voor veel van 's werelds grootste problemen. "Ik heb het gevoel dat er een enorme kloof is tussen wetenschap en het publiek, omdat het wordt afgeschilderd als uit het hoofd leren op scholen, wanneer per definitie als je het kunt onthouden, het is geen wetenschap, " zegt Inger, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan de Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Wetenschap is het nastreven van het onbekende. We hebben de verantwoordelijkheid om het publiek te bereiken en die opwinding van verkenning en ontdekking over te brengen, en gelukkig, de filmindustrie is daar al goed in."

Om te kijken of entertainment een oplossing zou kunnen bieden voor deze uitdaging, Ingber werkte samen met Charles Reilly, doctoraat, een moleculair biofysicus, professionele animator, en Staff Scientist bij het Wyss Institute, die eerder werkte bij filmregisseur Peter Jackson's Park Road Post filmstudio, om een ​​film te maken die de verbeelding van de kijkers zou prikkelen door het verhaal te vertellen van een biologisch proces dat tot op atomair niveau nauwkeurig was. "Don en ik kwamen er al snel achter dat we veel dingen gemeen hebben, vooral dat we allebei systeemdenkers zijn, "zegt Reilly. "Het toepassen van een artistiek proces op de wetenschap bevrijdt je van de typisch reductionistische benadering van het analyseren van één bepaalde hypothese en leert je een andere manier om dingen te observeren. Als resultaat, we hebben niet alleen een vermakelijke tool gemaakt voor publieksbereik, we hebben robuust theoretisch biologieonderzoek gedaan dat heeft geleid tot nieuw wetenschappelijk inzicht in processen op moleculaire schaal." Het onderzoek is nu gepubliceerd in ACS Nano .

Elke goede film heeft karakters en drama nodig, en een "haak" om het publiek te laten investeren in kijken. De wetenschappers besloten een parodie te maken op een trailer voor een Star Wars-film, maar in plaats van ruimteschipkruisers te laten zien die door de ruimte naar de Death Star razen, ze kozen voor een biologisch proces met een eigen ingebouwd verhaal:de bevruchting van een eicel door een zaadcel, waarin miljoenen zaadcellen racen om degene te zijn die slaagt en de volgende generatie van leven creëert. De patronen en mechanica van spermazwemmen zijn bestudeerd en beschreven in wetenschappelijke literatuur, maar het visueel tonen van de nauwkeurige beweging van een spermastaart vereiste het aanpakken van een van de moeilijkste uitdagingen waarmee de wetenschap vandaag de dag wordt geconfronteerd:hoe een biologisch model op meerdere schalen te creëren dat de nauwkeurigheid op verschillende groottes handhaaft, van cellen helemaal tot aan atomen. Dat zou hetzelfde zijn als beginnen met het Empire State Building en dan dichtbij genoeg inzoomen om elke afzonderlijke schroef te zien, moer en bout die het bij elkaar houdt, en hoe individuele watermoleculen in de leidingen stromen, met behoud van een kristalheldere resolutie - geen gemakkelijke taak.

"Het blijkt dat het creëren van een nauwkeurig biologisch model en het creëren van een geloofwaardige computergegenereerde afbeelding van het leven in film erg op elkaar lijken, in dat je constant problemen oplost en je virtuele object aanpast totdat het past zoals de dingen er echt uitzien en bewegen, "zegt Reilly. "Echter, voor biologie, de simulaties moeten ook aansluiten bij geregistreerde wetenschappelijke gegevens en theoretische modellen die eerder experimenteel zijn gevalideerd." De wetenschappers creëerden een ontwerpgebaseerde animatiepijplijn die op fysica gebaseerde filmanimatiesoftware integreert met moleculaire dynamische simulatiesoftware om een ​​model te creëren van hoe een spermastaartbewegingen op basis van wetenschappelijke gegevens, met als criterium dat het model over alle maatschalen moest werken. "Dit is echt een design thinking-benadering, waarbij je bereid moet zijn je model weg te gooien als het niet correct werkt wanneer je het integreert met gegevens van een andere schaal, " zegt Reilly. "Veel wetenschappelijk onderzoek maakt gebruik van een reductionistische benadering, focussen op één molecuul of één biologisch systeem met steeds hogere resolutie zonder het in context te plaatsen, wat het moeilijk maakt om samen te komen tot een beeld van het grotere geheel."

De kern van de zweepachtige staart van een spermacel is het axoneme, een lange buis bestaande uit negen paren microtubuli die in een kolom rond een centraal paar zijn gerangschikt, die zich allemaal uitstrekken over de gehele lengte van de staart. Het ritmische buigen en strekken van het axoneme is de bron van de beweging van de staart, en de wetenschappers wisten dat ze dat proces realistisch moesten weergeven om de kijkers van de film te laten zien hoe een sperma beweegt. In plaats van een model op een lineaire manier te construeren door "in te zoomen" of "uit te zoomen" om meer informatie toe te voegen aan een enkele startstructuur, ze bouwden het model tegelijkertijd op verschillende schalen, het herhaaldelijk controleren aan de hand van wetenschappelijke gegevens om er zeker van te zijn dat het nauwkeurig was en het aanpassen totdat de stukjes in elkaar passen.

De beweging van het axoneme wordt bereikt via rijen motoreiwitten, dyneïnen genaamd, die langs de microtubuli zijn bevestigd en er kracht op uitoefenen zodat de microtubuli langs elkaar "schuiven", waardoor het hele axoneme en de spermastaart buigen en bewegen. Het dyneïne-eiwit heeft een lang "arm"-gedeelte dat zich vastgrijpt aan de naburige microtubulus en, wanneer het eiwit van de ene vorm in de andere verandert, trekt de microtubulus mee. Dynein schakelt tussen deze verschillende conformaties als gevolg van de omzetting van een ATP-molecuul in ADP op een specifieke bindingsplaats op het eiwit, waarbij energie vrijkomt als een chemische binding wordt verbroken. Om deze moleculaire motor te modelleren, de wetenschappers creëerden een moleculaire dynamica-simulatie van een dyneïne-eiwit en pasten energie toe op de ATP-bindingsplaats om de overdracht van energie van ATP te benaderen. Ze ontdekten dat dit ervoor zorgde dat atomen in het hele eiwit in willekeurige richtingen bewogen toen ze hun simulatie van dyneïne in oplossing uitvoerden, zoals de meeste conventionele wetenschappelijke simulaties doen. Echter, wanneer ze vervolgens een specifiek scharniergebied van het dyneïnemolecuul "vastzetten" waarvan bekend is dat het dyneïne verbindt met zijn microtubule, ze ontdekten dat het dyneïne spontaan in zijn karakteristieke richting bewoog wanneer kracht werd uitgeoefend op de ATP-bindingsplaats, passend bij de manier waarop het zich in de natuur beweegt.

"Niet alleen is ons op fysica gebaseerde simulatie- en animatiesysteem even goed als andere op gegevens gebaseerde modelleringssystemen, het leidde tot het nieuwe wetenschappelijke inzicht dat de beperkte beweging van het dyneïnescharnier de energie concentreert die vrijkomt bij ATP-hydrolyse, waardoor de vorm van dynein verandert en microtubuli glijden en axoneme beweging, ", zegt Ingber. "Bovendien, terwijl eerdere studies van dyneïne de twee verschillende statische conformaties van het molecuul hebben onthuld, onze animatie toont visueel een plausibele manier waarop het eiwit kan overgaan tussen die vormen met atomaire resolutie, dat is iets dat andere simulaties niet kunnen doen. De animatiebenadering stelt ons ook in staat om te visualiseren hoe rijen dyneins samenwerken, als roeiers die samen in een boot trekken, wat moeilijk is met conventionele wetenschappelijke simulatiebenaderingen."

Met behulp van dit biologisch nauwkeurige model van hoe dyneïne de microtubuli binnen het axoneme beweegt, Ingber en Reilly maakten een korte film genaamd "The Beginning, " die parallellen trekt tussen sperma dat naar een ei zwemt en ruimteschepen die naar een planeet in de ruimte vliegen, een artistiek tintje geven aan een wetenschappelijk onderwerp. De film toont verschillende zaadcellen die proberen de eicel te bevruchten, "zoomt in" op de staart van één sperma om te laten zien hoe de dyneïne-eiwitten synchroon bewegen om de staart te laten buigen en buigen, en eindigt met de succesvolle reis van het sperma naar de eicel en de start van de celdeling die uiteindelijk een nieuw organisme zal creëren. De wetenschappers dienden de film samen met het papier in bij verschillende wetenschappelijke tijdschriften, en het duurde lang voordat ze een ruimdenkende redacteur vonden die inzag dat de krant en de film samen een krachtige demonstratie waren van hoe het starten met een artistiek doel kan leiden tot nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen en een hulpmiddel voor publieksbereik.

"Zowel wetenschap als kunst gaan over observatie, interpretatie, en communicatie. Ons doel is dat het presenteren van wetenschap aan het publiek op een onderhoudende, systeemgebaseerde manier, in plaats van ze te verzanden met een reeks verspreide feiten, het zal meer mensen helpen het te begrijpen en te voelen dat ze kunnen bijdragen aan het wetenschappelijke gesprek. Hoe meer mensen zich bezighouden met wetenschap, hoe waarschijnlijker het is dat de mensheid de grote problemen van de wereld zal oplossen, ", zegt Reilly. "Ik hoop ook dat dit artikel en deze video meer wetenschappers aanmoedigen om een ​​artistieke benadering te kiezen wanneer ze een nieuw project starten, niet noodzakelijkerwijs om een ​​op verhalen gebaseerd verhaal te creëren, maar om hun idee te onderzoeken zoals een kunstenaar een canvas verkent, omdat dat de geest openstelt voor een andere vorm van serendipiteit die tot onverwachte resultaten kan leiden."

"Het Wyss Institute wordt gedreven door biologisch ontwerp. In dit project, we gebruikten ontwerptools en benaderingen geleend van de kunstwereld om problemen met beweging op te lossen, formulier, en complexiteit om iets vermakelijks te creëren, die uiteindelijk leidden tot nieuwe wetenschappelijke inzichten en, Hopelijk, nieuwe manieren om het publiek enthousiast te maken voor wetenschap, ", zegt Ingber. "We hebben aangetoond dat kunst en wetenschap elkaar op een echt wederkerige manier kunnen helpen, en we hopen dat dit project toekomstige samenwerkingen met de entertainmentindustrie stimuleert, zodat zowel kunst als wetenschap nog dichter bij het weergeven van de werkelijkheid kunnen komen op manieren die iedereen kan waarderen en ervan kan genieten."